I en studie som visas i dag i Astrofysisk tidskrift , ett team av forskare som leds av INAF undersökte om de onormala egenskaperna i damm- och gasfördelningen på HD 163296:s skiva som avslöjades av ALMA:s observationer kunde uppstå från de jättelika planeternas interaktion med planetesimalerna, en komponent på disken som tidigare saknats.

De cirkumstellära skivorna som består av gas och damm som omger unga bildande stjärnor är miljön där planeterna föds. Deras damm tillhandahåller byggnadsmaterialet från vilket planeterna börjar växa och, som ett resultat av dess inkorporering i planetariska kroppar, dess överflöd förväntas minska med tiden. Sedan dess första bilder av de ljusa koncentriska ringarna på den cirkumstellära skivan runt HL Tau, ALMA har revolutionerat vår syn på cirkumstellära skivor genom att avslöja den utbredda närvaron av ett antal småskaliga strukturer (luckor, ringar och spiralarmar) i sin gas och damm, de flesta av dem ansågs vara kopplade till förekomsten av unga planeter och uppstå från samspelet mellan deras gravitation och den omgivande miljön.

Bland de bäst studerade skivorna som observerats av ALMA är den som omger HD 163296, en 5 Myr gammal stjärna som är ungefär dubbelt så stor som solens massa. HD 163296s skiva är både massiv (lite mindre än en tiondel av solens massa) och bred (cirka 500 AU, två gånger den yttre gränsen för Kuiperbältet i solsystemet) och har föreslagits vara hem för minst tre planeter med massor mellan två gånger den för Uranus och den för Jupiter. ALMAs senaste observationer gjorde det möjligt att rumsligt och kompositionellt karakterisera strukturen av HD 163296:s skiva till en nivå som man tidigare inte kunde drömma om och visade hur damm fortfarande är ganska rikligt (mer än 300 gånger jordens massa) i denna skiva, trots dess ålder och har producerats. minst tre gigantiska planeter. Samma observationer avslöjade också några märkliga beteenden hos dammets rumsliga fördelning som inte lätt kunde förklaras endast som ett resultat av dess samspel med gasen och de nybildade jätteplaneterna.

Damm förväntas migrera inåt från skivans yttre regioner på grund av dess koppling och friktion med gasen, men det förväntas också stoppas i sin migration av massiva planeter. Som ett resultat av detta inåtgående flöde, damm bör med tiden försvinna från området omedelbart inuti HD 163296:s innersta planet. På samma gång, damm som kommer från skivans yttre regioner bör hopa sig utanför omloppsbanorna för den andra och tredje planeten. ALMA:s observationer avslöjade istället att regionerna inuti den första planeten och mellan den första och andra planeten har några av de högsta koncentrationerna av damm på hela skivan. I en studie som visas idag om Astrofysisk tidskrift , ett team av forskare undersökte om dessa avvikande egenskaper kunde uppstå från de jättelika planeternas interaktion med en komponent av skivan som man tidigare inte hade redogjort för:planetesimalerna.

"Från studien av solsystemet vet vi att mogna cirkumstellära skivor som HD 163296 inte bara består av gas och damm, men innehåller också en osynlig population av små planetariska objekt som liknar våra asteroider och kometer" förklarar Diego Turrini, huvudförfattare till studien och forskare vid Institute for Space Astrophysics and Planetary Science (IAPS) vid det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF). "Vi vet också att uppkomsten av jätteplaneter påverkar dessa planetesimaler genom att i deras omloppsbana orsakar en kort men intensiv topp av dynamisk excitation som, medan det är kort ur synvinkeln av det långa livet för ett planetsystem, kan ha en varaktighet som är jämförbar med livslängden för cirkumstellära skivor, säger Turrini.

Teamet undrade om dessa interaktioner mellan HD 163296:s unga jätteplaneter och de osynliga planetesimalerna kunde producera de observerade anomalierna i dammfördelningen. Simuleringarna de utförde visade hur, under tillväxten av de tre jätteplaneterna, en större och större del av den omgivande populationen av planetesimaler injiceras på mycket excentriska och mycket lutande banor som liknar kometernas i solsystemet. "Det huvudsakliga resultatet av denna dynamiska excitation är en högre frekvens av våldsamma kollisioner mellan planetesimalerna, " förklarar Francesco Marzari, professor vid universitetet i Padova och medförfattare till studien.

När de analyserade resultatet av de dynamiska simuleringarna genom en kollisionsmodell, teamet fann att kollisioner mellan planetesimaler förblir ganska milda tills de jättelika planeterna närmar sig sina slutliga massor, men sedan växer de snabbt hundrafaldigt i våld och börjar mala ner planetesimalerna. "Dessa våldsamma kollisioner fyller på dammpopulationen i skivan, " säger Marzari "Det nya damm som produceras av denna process, dock, har en annan omloppsfördelning än den ursprungliga och är huvudsakligen koncentrerad till två platser:omloppsområdet inom den första jätteplaneten och ringen mellan den första och andra jätteplaneten." Samma två regioner där ALMA:s observationer avslöjade de största avvikelserna med vad som teoretiskt förväntades.

Teamet fann att den dynamiska excitation som orsakas av utseendet på de tre jätteplaneterna fortfarande borde verka på planetesimalerna som är inbäddade i HD 163296:s skiva. Författarna fann också att den resulterande ihållande kollisionsproduktionen av damm kan injicera tiotals jordmassor av damm i dessa två omloppsområden, förklara ALMA:s observationer också ur en kvantitativ synvinkel. "Hittills har det varit möjligt att studera den här typen av process medan den förekommer i cirkumstellära skivor endast genom simuleringar, " säger Turrini. "Tack vare ALMA kanske vi nu kan studera det när det händer och lära oss mycket om samspelet mellan planetbildning och den omgivande miljön."

"Den snabba takten med vilken ALMA tillhandahåller nya och mer detaljerade data om HD 163296 gjorde att vi kunde utöka vår studie utöver dess ursprungliga omfattning, " förklarar Danai Polychroni, medförfattare till studien och då professor vid Universidad de Atacama och adjungerad forskare vid INAF-IAPS. "Vi märkte att många planetesimaler är exalterade till överljudshastigheter med avseende på den omgivande gasen på skivan och kan skapa stötvågor som kan värma både planetesimaler och gas. Även om vi ännu inte kunde modellera denna process i detalj, färska observationer rapporterade den oväntade närvaron av CO-gas i regioner som kännetecknas av temperaturer där den borde vara fryst fast och möjliga anomalier i skivans termiska struktur. Båda fynden kan, i princip, förklaras tack vare närvaron av dessa överljudsplanetesimaler och chockvågorna de skapar."

"Denna studie startades som ett sökvägsprojekt för att undersöka om den dynamiska excitationen som orsakas av nybildade jätteplaneter faktiskt kunde ge observerbara effekter. Som sådan, vi skrapade precis på ytan av denna process och dess konsekvenser, " säger Leonardo Testi, också medförfattare till studien och chef för ALMA Support Center vid European Southern Observatory och INAF-forskare på semester. "Ändå, dess fysiska recept är ganska enkelt:massiva planeter som bildas i en skiva av planetesimaler. Med tanke på de utbredda signaturerna av möjliga unga jätteplaneter vi upptäcker med ALMA och den förlängda varaktigheten av de dynamiska effekterna som orsakas av deras utseende, vi kanske tittar på en process som är ganska vanlig bland cirkumstellära skivor."

"Kontexten för arbetet som leds av Diego Turrini är en av pelarna i GENESIS synergi, " förklarar Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri), Huvudutredare för GENESIS-SKA-projektet, finansierat av INAF. "GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) är ett nationellt projekt där mer än 60 forskare från 8 INAF-institut arbetar i nära samarbete med det övergripande målet att undersöka förhållanden som är gynnsamma för framväxten av planetsystem som liknar vårt solsystem ."

"Resultaten av detta projekt, " tillägger Codella, "kommer att vara av yttersta vikt även för studiet av den kemiska sammansättningen av gasen som finns i de regioner där planeter kommer att bildas, och, eventuellt, av deras atmosfärer."